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Aporte argentino en la actualización de una de las bibliotecas internacionales de datos nucleares

Rolando Granada y José Ignacio Márquez son egresados y docentes del Instituto Balseiro. Crédito Laura García Oviedo / Prensa Instituto Balseiro. Rolando Granada y José Ignacio Márquez son egresados y docentes del Instituto Balseiro. Crédito Laura García Oviedo / Prensa Instituto Balseiro. Rolando Granada y José Ignacio Márquez son egresados y docentes del Instituto Balseiro. Crédito Laura García Oviedo / Prensa Instituto Balseiro.

Desde Bariloche, egresados y docentes del Instituto Balseiro generaron un aporte crucial en la actualización de una de las bibliotecas de los datos nucleares que se utilizan en el mundo para diseñar los núcleos de nuevos reactores. En esta nota, uno de los protagonistas, que es investigador del CONICET en el Centro Atómico Bariloche, cuenta los detalles.

Fecha de publicación: 11/07/2018

Una de las bibliotecas de datos nucleares más importantes a nivel mundial se llama “ENDF/B”, y se utiliza para diseñar, por simulación computacional, distintos núcleos de reactores. Esa biblioteca, de origen norteamericano, es la que se toma como referencia en los proyectos nucleares de Argentina.

Este año, se publicó la versión 8 de esa biblioteca (la anterior había sido publicada en 2011) con aportes de investigadores de distintos países. En esta actualización, se incluyeron datos sobre la interacción de neutrones con agua liviana y agua pesada que fueron desarrollados por investigadores que son egresados del Instituto Balseiro y que trabajan en el Centro Atómico Bariloche.

“Que nuestros modelos se hayan publicado en esta biblioteca es un respaldo fuerte a nuestro trabajo, pero también es una actividad importante de transferencia del ámbito científico al tecnológico porque nuestras investigaciones no van a quedar solamente como papers, sino que van a ser utilizadas por ingenieros nucleares y grupos de cálculo y diseño de reactores nucleares en Argentina y el mundo”, destacó el Ingeniero Nuclear José Ignacio Márquez Damián.

Márquez es egresado y docente de la carrera de Ingeniería Nuclear del Instituto Balseiro (dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica y la Universidad Nacional de Cuyo) e investigador del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) en el Centro Atómico Bariloche. “Como ingeniero nuclear es un orgullo que hayan incluido datos generados aquí en Argentina, porque esta es la biblioteca en la que confiamos para realizar cálculos neutrónicos”.

Los datos que fueron incluidos en esta biblioteca fueron desarrollados en el Grupo de Datos nucleares del Departamento Física de Neutrones (Gerencia de Ingeniería, Centro Atómico Bariloche), conformado también por los Dres. Christian Helman, Florencia Cantargi y José Rolando Granada. En colaboración con Canadian Nuclear Laboratories, Márquez realizó todos cálculos de interacción de neutrones con agua liviana y pesada que fueron seleccionados para actualizar la citada biblioteca “ENDF/B” durante su Doctorado en Ciencias de la Ingeniería. Su director de tesis fue el Dr. Granada, también egresado y profesor del Balseiro.

CÁLCULOS EN BASE A DATOS

En el núcleo de un reactor nuclear ocurre un fenómeno llamado “fisión”, en el que átomos de un combustible, como por ejemplo el uranio, se divide a partir de su interacción con neutrones produciendo energía. Un elemento moderador es clave en ese proceso: el agua, que puede ser liviana o pesada, dependiendo del tipo de hidrógeno utilizado. El agua liviana es agua común, destilada. Y el agua pesada es aquella en la que el hidrógeno está reemplazado por deuterio, que es hidrógeno con un protón y un neutrón en el núcleo, explicó Márquez.

El estudio del comportamiento de todas esas piezas de una reacción nuclear de fisión controlada, y la utilización de esa información para el diseño de nuevos reactores, es trabajo de ingenieros nucleares que recopilan, utilizan y actualizan datos nucleares en grandes bibliotecas. En particular el agua liviana y pesada es el material más utilizado como refrigerante y moderador de neutrones en los reactores nucleares. “En Argentina los reactores experimentales RA-0, RA-1, RA-3, RA-6 y RA-8, y los proyectos RA-10 y CAREM usan agua liviana como refrigerante y moderador. Y las centrales nucleares Atucha I, Atucha II y Embalse usan agua pesada”, informó Márquez.

“Para diseñar estos reactores se hacen cálculos de la distribución de los neutrones en el núcleo del reactor, y esos cálculos utilizan bibliotecas de datos nucleares para representar por simulación computacional la interacción de los neutrones con los distintos materiales”, explicó Márquez ante la consulta de por qué es crucial actualizar este tipo de bibliotecas. Además de la norteamericana ENDF/B, existen: la biblioteca japonesa JENDL, la biblioteca JEFF dependiente de NEA/OECD a la que el grupo también ha realizado contribuciones.

-¿Cuánto tiempo estuvieron trabajando en la actualización de esta biblioteca?
-El trabajo científico fueron principalmente los años de doctorado. Luego continué trabajando en el área de tecnología del CONICET en la aplicación de esos resultados a sistemas reales, y presentando el trabajo en foros internacionales para que sea aceptado como standard. La biblioteca ENDF/B tiene una versión nueva cada cinco a diez años (las versiones anteriores fueron publicadas en 2011 y 2006) por lo que en los últimos años estuvimos compitiendo con grupos similares de Estados Unidos y Europa por generar los modelos que finalmente serían adoptados. En total fueron casi diez años, desde que Rolando Granada (el director de mi doctorado) me propuso encarar el desarrollo de modelos de interacción de neutrones térmicos con agua hasta que finalmente logramos incorporarlos a la biblioteca.

-¿Podrías explicar por qué es tan importante tener una biblioteca de datos para operar reactores nucleares térmicos?
-Para diseñar reactores nucleares es necesario conocer la distribución de los neutrones dentro del reactor, ya que estos neutrones generan fisiones, que a su vez generan energía. Para conocer esta distribución se resuelve una ecuación que la describe: la ecuación de transporte de Boltzmann. En esa ecuación la interacción de los neutrones con los distintos materiales del reactor depende de la sección eficaz de interacción. Esas secciones eficaces son propiedades de los distintos isótopos que componen cada material ya que, por ejemplo, no es lo mismo la interacción de neutrones con hidrógeno que con deuterio (hidrógeno con un neutrón en el núcleo).

-¿Qué importancia tiene conocer cómo interactúan los materiales implicados en el proceso?
-Cuando los neutrones se producen mediante la fisión del uranio lo hacen con energía alta, lo que se denomina neutrones “rápidos”. Como la sección eficaz de fisión es mayor para energías bajas, en el reactor se colocan materiales denominados moderadores, que reducen la energía de los neutrones y aumentan la probabilidad de que ocurran nuevas fisiones. Estos neutrones de energía baja se denominan “neutrones térmicos”, porque tienen una energía similar a la energía de agitación térmica de los átomos que los rodean. Para estas energías bajas la sección eficaz de interacción de neutrones no sólo depende de las propiedades del núcleo, sino también de la estructura y la dinámica del material moderador (en este caso, el agua).

-¿Qué tiene de nuevo o qué ventajas presenta tener actualizada la biblioteca ENDF/B?
-Las secciones eficaces que se utilizan en los cálculos de reactores nucleares provienen de bases de datos llamadas “bibliotecas”, que contienen secciones eficaces para cada uno de los materiales del reactor. En otras palabras, estas bibliotecas compilan la mejor información disponible al momento de su publicación. La nueva versión de la biblioteca ENDF/B que se publicó a principios de este año incluye varias actualizaciones, entre ellas nuestro trabajo sobre interacción de neutrones térmicos con agua pesada y liviana. La razón por la que fue elegido nuestro trabajo es porque permite calcular con mejor precisión el funcionamiento de reactores moderados por agua, y eso se debe a que nuestros modelos están basados en cálculos de dinámica molecular y son una mejora respecto a los modelos anteriores.

-¿Qué es la física de neutrones y por qué te gusta trabajar en este campo?
-La física de neutrones es el estudio de la interacción de neutrones con distintos materiales, y tiene dos facetas: una es estudiar esa interacción mediante cálculo, y la otra es realizar experimentos para validar los cálculos y para utilizar los neutrones para medir propiedades de los materiales, o para estudiar objetos en forma no-destructiva (por ejemplo, la radiografía con neutrones se utiliza para estudiar piezas arqueológicas). La física de neutrones me gusta porque me permite entender los procesos físicos que suceden en los reactores nucleares, y los reactores nucleares son máquinas fascinantes: un conjunto de materiales especiales dispuestos de una forma particular, que producen una radiación que no se puede ver ni sentir pero que genera miles de veces más energía que las reacciones químicas.

-Sos egresado del Balseiro, ¿qué balance hacés de tu paso por el Instituto y su aporte en tu formación?
-Fui alumno del Instituto Balseiro en dos ocasiones, y las experiencias fueron distintas pero ambas muy valiosas. Como carrera de grado estudié ingeniería nuclear y más allá de la formación en ciencia y tecnología de reactores nucleares (que todavía aplico) creo que lo que más me sirvió fue perderle el miedo a encarar y aprender cosas nuevas. Después de un par de años en el exterior volví a Bariloche para hacer un doctorado en ingeniería acá en el Instituto Balseiro, buscando hacer algo que tenga impacto en el cálculo de reactores nucleares. En esa segunda etapa lo más importante fue elegir un buen grupo de trabajo, y en Física de Neutrones encontré un grupo que combina física e ingeniería formado por investigadores de CONICET y CNEA muy experimentados (varios de ellos, también docentes del Instituto Balseiro) lo que me simplificó mucho el trabajo, ya que en buena parte fue aplicar ideas y técnicas que ya estaban desarrolladas en el laboratorio.

La nueva versión de la biblioteca ENDF/B se publicó en el paper “Nuclear Data Sheets” en febrero pasado. Firmaron 70 autores de unos 30 instituciones de ciencia y tecnología de 13 países, entre los que se encuentra Argentina por sus aportes desde el campo de la física de neutrones. Link al paper, aquí.

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San Carlos de Bariloche, 11/07/2018
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